本文作者：付斌

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

曾經(jīng)，我們只能在PC或主機(jī)端體驗(yàn)到畫面細(xì)膩精致和流暢的3A游戲，而現(xiàn)在，手機(jī)廠商大力投入自研芯片，將光線追蹤等技術(shù)做到手機(jī)里，移動(dòng)GPU處理性能也越來越強(qiáng)勁。

ABI在2022年的調(diào)查顯示，手機(jī)游戲用戶會(huì)從26億增長到2030年的39億，至2026年85%的游戲玩家首選在手機(jī)上玩游戲。顯然，光線追蹤成為手機(jī)征服玩家的利器。

縱觀當(dāng)前市場上的光線追蹤方案，針對(duì)PC端，英偉達(dá)最新發(fā)布的Ada Lovelace架構(gòu)，在光追方面做了不少重大更新；英特爾Arc Alchemist GPU 無論是光追功能還是游戲性能，都給足了玩家期待。在移動(dòng)端，三星Exynos 2200 屬于較早落地的支持光追的手機(jī)，其采用了AMD RDNA 2 架構(gòu)；高通全新 Adreno GPU 加入了專門的移動(dòng)光線追蹤加速單元；同時(shí)以 Imagination、 ARM 為代表的芯片 IP 供應(yīng)商，陸續(xù)推出支持移動(dòng)光追的 GPU 架構(gòu)。其中 Imagination 的PowerVR Photon 架構(gòu)被稱為業(yè)界首個(gè)移動(dòng)端硬件級(jí)光追架構(gòu)，采用Photon架構(gòu)的IMG CXT GPU成為了首個(gè)在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)桌面級(jí)視覺效果的GPU IP。其后一年內(nèi)ARM 也推出了其首款支持光追硬件加速的GPU IP。

目前來看，可真正落地的移動(dòng)端光追方案還在初期，但不管是 SoC 芯片商還是手機(jī)廠商，包括游戲開發(fā)商，都對(duì)在移動(dòng)端上實(shí)現(xiàn)光線追蹤躍躍欲試。就在今年1月初Imagination 宣布推出IMG DXT 系列 GPU，這款開創(chuàng)性的光追 GPU 將加速該技術(shù)的落地和普及，并應(yīng)對(duì)不斷增速的手機(jī)游戲市場。

應(yīng)對(duì)手機(jī)游戲的畫質(zhì)革命現(xiàn)如今，手機(jī)游戲有三個(gè)趨勢值得重點(diǎn)關(guān)注：

• 其一，玩家對(duì)游戲沉浸感的體驗(yàn)要求越來越高；
• 其二，對(duì)手機(jī)性能要求越來越高，任何用戶都不可能喜歡在只有5~10幀的場景下游玩游戲；
• 其三，手機(jī)功耗引發(fā)的電量焦慮需要引起重視，一直在充電或者快速掉電對(duì)手機(jī)玩家來說都是不可接受的。

Imagination DXT系列GPU為滿足手機(jī)游戲需求，在設(shè)計(jì)之初便關(guān)注到了上述手機(jī)游戲趨勢。為了加快光線追蹤在移動(dòng)端的普及，推出了更具設(shè)計(jì)擴(kuò)展性的GPU。在IMG DXT圖形處理單元中引入了基于PowerVR Photon架構(gòu)的光線加速集群（RAC）的演變。DXT的重點(diǎn)是通過引入片段著色率（FSR）功能和增強(qiáng)的后處理技術(shù)來提高效率，同時(shí)改變布局，為光線追蹤提供可擴(kuò)展性和靈活性。

DXT系列GPU的三款產(chǎn)品面向三種機(jī)型：主流機(jī)更在意單位面積性能，高端機(jī)在于更高的性能實(shí)現(xiàn)，旗艦機(jī)追求更高性能和手機(jī)整體表現(xiàn)，Imagination提供不同的算力, 像素填充力和光線追蹤的可選RAC (Ray Acceleration Cluster)。

光線追蹤可以說是Imagination GPU IP的招牌技術(shù)之一，該技術(shù)可以讓3D游戲場景中的光照更加貼近真實(shí)生活中的折射和反射。但實(shí)現(xiàn)這樣的光線折射和漫反射卻需要很大的資源開銷，早期甚至高端的服務(wù)器也需要一定時(shí)間來“烘焙”這些畫面，而現(xiàn)在，對(duì)桌面級(jí)GPU渲染實(shí)時(shí)光追已不再是難題，Imagination推出的高效可擴(kuò)展光追技術(shù)使得主流手機(jī)也都能使用此項(xiàng)技術(shù)。

光線追蹤等級(jí)并非所有形式的光線追蹤支持都是相同的?，F(xiàn)實(shí)情況是，任何具有計(jì)算能力的GPU都可以執(zhí)行光線追蹤，但它們之間的區(qū)別在于可以執(zhí)行光線追蹤的效率和可以達(dá)到的性能水平。因此，Imagination引入了光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（RTLS）的概念，以突出各種等級(jí)光線追蹤的效率。

需要強(qiáng)調(diào)的是，Imagination提供的是第4級(jí)別的硬件級(jí)光線追蹤，且是可擴(kuò)展的高級(jí)光線追蹤技術(shù)。

在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)光線追蹤并非易事，因?yàn)橐苿?dòng)端的能耗和運(yùn)算帶寬本身受到的限制就比較大，目前市面上絕對(duì)大多數(shù)光線追蹤都是L1、L2級(jí)別的。L1級(jí)別的光線追蹤是純軟件光線追蹤，需要消耗大量的CPU資源，L2級(jí)別的解決方案中具有判斷光線和物體邊框及三角形是否相交的檢測器，但所有其它RT處理仍保留在著色器代碼中，也就還需要額外的GPU計(jì)算資源，而到了 L3級(jí)以上都需要具有硬件BVH的分類、相關(guān)性的回溯處理等專門的光線處理模塊。Imagination的CXT和DXT系列提供的都是L4級(jí)別的光線追蹤。

當(dāng)然，需要強(qiáng)調(diào)的是游戲市場上存在一定誤區(qū)，很多人認(rèn)為只要是使用硬件光線追蹤，幀率一定會(huì)下降，游戲運(yùn)行一定會(huì)更慢，其實(shí)這是不正確的一種想法。因?yàn)楝F(xiàn)在游戲中或多或少一定都是用了傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行光影的渲染，哪怕不加任何新的光線追蹤效果，只是把原來的光影效果從傳統(tǒng)的渲染方式替換成實(shí)時(shí)光線追蹤，讓硬件承擔(dān)這部分的工作，從而使整體的運(yùn)算結(jié)果更快，讓幀率也更高。

集大成之作的性能飛躍IMG DXT系列產(chǎn)品擁有6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)值得關(guān)注：

• Vulkan 片段著色率(FSR)：IMG DXT為 Vulkan 提供了片段著色率 (FSR-Fragment Shading Rate) 支持，為開發(fā)者帶來了性能上的裕量。FSR在盡可能不影響視覺質(zhì)量的前提下，減少了處理的片段數(shù)量，并大幅提高圖形性能。光線追蹤技術(shù)能很好地和FSR技術(shù)結(jié)合在一起，配合可擴(kuò)展RAC，可用更小的RAC實(shí)現(xiàn)這個(gè)場景下的游戲光追效果，為用戶帶來更好的沉浸式體驗(yàn)；
• 2D 雙速率紋理處理（Dual-RateTexturing）：在其紋理處理單元 (TPU) 中擁有創(chuàng)新的專利特殊模式，可為后處理效果創(chuàng)建“快速通道”。在使雙線性濾波性能幾乎翻倍的同時(shí)，最大程度地減少面積的增加并降低整體功耗。
• 提高紋理和計(jì)算性能：采用全新的著色器處理單元 (SPU) 設(shè)計(jì)。DXT GPU 每個(gè) SPU 的高端計(jì)算和紋理 (ALU/TPU) 性能提高 50% 以上，這要?dú)w功于全新的三重通用著色器集群（SPU）設(shè)計(jì)（3個(gè)ALU/TPU 單元），而以前的架構(gòu)只側(cè)重于雙USC設(shè)計(jì)（2個(gè)ALU/TPU單元）。
• 流水線數(shù)據(jù)主控器：改進(jìn)流水線后，當(dāng)前場景正在渲染時(shí)，無需任何間隙和等待，數(shù)據(jù)主控器現(xiàn)在就可以開始為下一個(gè) 3D 場景創(chuàng)建工作負(fù)載。在提高性能和能效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)工作負(fù)載生成的流水線。
• ALU 寄存器組性能翻番：統(tǒng)一存儲(chǔ)的改進(jìn)提升了 ALU 寄存器組的吞吐量。而且，IMG DXT GPU的ALU寄存器組數(shù)量是上一代的兩倍。
• RISC-V固件處理器：長期以來，Imagination的GPU一直得益于集成的固件處理器，實(shí)現(xiàn)了許多獨(dú)特的功能，如虛擬化，系統(tǒng)安全隔離等。DXT升級(jí)采用了在汽車系列中經(jīng)過芯片級(jí)驗(yàn)證的RISC-V CPU，同時(shí)性能提升了40%。因?yàn)楣碳幚砥魇抢L圖任務(wù)調(diào)度的核心，它的升級(jí)給DXT帶來了全方位的性能改進(jìn)。

Imagination的深謀遠(yuǎn)慮與移動(dòng)端GPU相比，云游戲正在興起，那么移動(dòng)端的GPU和放在數(shù)據(jù)中心中的GPU到底會(huì)是什么關(guān)系？

Imagination 公司技術(shù)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Stephen Barton認(rèn)為，Imagination其實(shí)也有相應(yīng)的產(chǎn)品，比如B系列的多核系列產(chǎn)品，具有虛擬化的技術(shù)，可以八核對(duì)應(yīng)8個(gè)以上的玩家，都享受到服務(wù)器端的運(yùn)算能力，這樣可以讓大家在自己的設(shè)備玩到以服務(wù)器的運(yùn)行性能跑出來的游戲畫面表現(xiàn)和品質(zhì)。

設(shè)備端GPU的使用方式與本地跑游戲不同，會(huì)是用一種流式傳輸，更像是放視頻的方式，在這種情況下有一個(gè)問題在于大家不想去用非常高分辨率的原始畫質(zhì)傳輸?shù)绞殖衷O(shè)備上，無論是帶寬、流量還是流量費(fèi)用都會(huì)成為一個(gè)比較大的負(fù)擔(dān)，會(huì)影響到云游戲的發(fā)展。云游戲中本地設(shè)備上的GPU可能有些新的應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器把一個(gè)較低分辨率的游戲內(nèi)容傳到設(shè)備上，設(shè)備GPU負(fù)責(zé)把這個(gè)畫面進(jìn)一步處理，能夠在高分辨率屏幕上看起來也沒有那么低的畫質(zhì)，這是未來云游戲在GPU方面產(chǎn)生的變化。

Imagination 公司首席營銷官David Harold認(rèn)為，很多技術(shù)路線都還沒有明確哪一種會(huì)成為最終的贏家，云游戲也是一樣的。GPU應(yīng)用在云游戲中有多個(gè)方向可以發(fā)展，比如大家最常見、認(rèn)可最多的云游戲方式就是在本地部署一個(gè)輕量級(jí)的設(shè)備，服務(wù)器端有比較強(qiáng)力的運(yùn)算能力，通過這種方式進(jìn)行云游戲，但事實(shí)上我們也可以把GPU升級(jí)部署在本地或者部署在邊緣節(jié)點(diǎn)，可以是在手機(jī)和云端同時(shí)具有一個(gè)鏡像規(guī)格的GPU配對(duì)，從而進(jìn)一步加強(qiáng)云游戲的體驗(yàn)，這也都是可能的。

關(guān)鍵的一點(diǎn)是，無論是GPU、AI還是其它的云計(jì)算等等方面，都要有相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備，比如云計(jì)算的過程中的數(shù)據(jù)傳輸需要應(yīng)用到壓縮的算法，這樣的技術(shù)儲(chǔ)備我們做好了，無論這項(xiàng)技術(shù)在市場上怎樣發(fā)展，我們都有相應(yīng)的機(jī)會(huì)抓住。

簡單解釋來說，就是移動(dòng)端GPU和數(shù)據(jù)中心GPU將會(huì)是協(xié)同的向上的，同時(shí)Imagination也在兩方面均有布局。

值得一提的是，Imagination一直持續(xù)深耕中國市場，據(jù)Imagination 公司副總裁兼中國區(qū)總經(jīng)理劉國軍介紹，在中國生態(tài)建設(shè)上，不僅包括整機(jī)廠商，還包括各大游戲廠商；公司的生態(tài)團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)周期性、規(guī)律性地舉辦各種培訓(xùn)以及會(huì)議，與主流游戲廠商，GPU相關(guān)開發(fā)者面對(duì)面或線上交流。